微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)利用了百微米量級尺寸的微槽道所具有的高強度取熱能力，并結(jié)合了冷卻盤管的高效冷卻能力，具有效率高、耗能低、成本低、噪聲低等優(yōu)點，可用于芯片、光電子器件、電力器件的散熱，有極高的推廣應用價值。
【專利說明】微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力、電子、光電子器件的熱管理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種適用于CPU芯片冷卻的微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]服務器作為數(shù)據(jù)存儲和處理的終端，其重要性不言而喻。刀片服務器能夠最大限度地節(jié)約服務器的使用空間和費用，但也同時造成了單個機架或機架局部單位面積發(fā)熱量的急劇上升，從而導致了機房局部“發(fā)熱”的高熱流密度現(xiàn)象的產(chǎn)生。
[0003]為了解決上述發(fā)熱問題，傳統(tǒng)的風冷散熱器已經(jīng)被熱管散熱器取代。圖1為傳統(tǒng)的熱管散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，熱管散熱器2從CPU芯片I中取出熱量，通過散熱片3和風扇4，將熱量釋放到服務器所在的機房中。在機房中則安裝大功率空調(diào)來保證機房的溫度和濕度。
[0004]據(jù)統(tǒng)計，在機房的能耗組成當中，空調(diào)占據(jù)了能耗的40%左右，是能耗的主要設(shè)備。在IT行業(yè)最發(fā)達的美國，IT行業(yè)每年消耗電能的數(shù)量相當巨大，根據(jù)2011年美國環(huán)境保護部(EPA)發(fā)出的報告指出，IT行業(yè)能源預計使用量的上升速度遠遠高于其他工業(yè)，預計在5年后的用電量將是現(xiàn)在的兩倍。而我國IT行業(yè)每年的耗電量為200多億度，其中用于冷卻的電量為70億度左右，且這個數(shù)量還會以幾何級數(shù)增長，因此IT行業(yè)節(jié)能已刻不容緩。
[0005]隨著刀片服務器CPU芯片發(fā)熱熱流密度的提高，一方面熱管式散熱器取熱能力已經(jīng)達到了極限；另一方面，熱管散熱器將CPU芯片的巨大熱量直接釋放到機房中，這些熱量都是通過大功率空調(diào)排到室外的環(huán)境中，如此巨大的熱量使空調(diào)消耗了巨大的電能，如何能迅速而且有效的將刀片服務器產(chǎn)生的巨大熱量轉(zhuǎn)移走，保證服務器的穩(wěn)定、安全運行就成了機房設(shè)計人員的一個艱巨的任務。此外，熱管散熱器表面安裝有風扇進行強制對流散熱，在機房中，數(shù)量眾多的風扇將會帶來巨大的噪聲。
[0006]另外，隨著大型數(shù)據(jù)中心高密度服務器與低密度混合模式的出現(xiàn)，由于服務器的密度不均衡，因而產(chǎn)生的熱量也不均衡，為了保證機房運行的穩(wěn)定性，需要以高密度服務器的熱流密度調(diào)節(jié)空調(diào)的制冷量，由此造成了能源的巨大浪費，更重要的是低密度服務器表面溫度過低，在夏季濕度較高時散熱器的表面會產(chǎn)生結(jié)露，嚴重影響了服務器的穩(wěn)定性與安全性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有刀片式服務器所采用的熱管散熱器取熱能力有限，機房空調(diào)耗電量過大，風扇噪聲過大，散熱器表面存在結(jié)露的技術(shù)缺陷。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)包括:微槽道取熱元件本體，其具有一與待冷卻部件相貼合的取熱面及一密閉空腔，所述取熱面與所述密閉空腔的底面相對，在該底面內(nèi)壁上形成微槽道，該微槽道向上開口，其寬度和深度的尺寸均介于ΙΟΟμπι?1000 μm之間；冷卻盤管設(shè)置于密閉空腔中，其入口和出口均連通至密閉空腔的外部；其中，微槽道內(nèi)具有液體工質(zhì)，冷卻盤管內(nèi)注入有冷卻液。
[0011]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，微槽道的橫截面呈矩形、向上開口的半圓形或向上開口的橢圓形。
[0012]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，微槽道的橫截面呈矩形，其寬度和高度均介于ΙΟΟμπι?ΙΟΟΟμπι之間；微槽道的長度與密閉空腔的長度相當，相鄰兩微槽道的間距介于100 μ m?500 μ m之間。
[0013]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，微槽道在微槽道取熱元件本體底面的內(nèi)壁上呈以下形狀中的其中一種:螺旋線；漸開線；若干個同心圓；或相互平行的若干條。
[0014]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，液體工質(zhì)為氟利昂、水、乙醇或丙酮。
[0015]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，液體工質(zhì)在密閉空腔中的充液量占整個密閉空腔體積的20% -90%。
[0016]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，冷卻盤管(300)在密閉空腔內(nèi)呈蛇形排布，其中注入的冷卻液為水。
[0017]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，微槽道取熱元件本體及冷卻盤管均由銅或鋁制備。
[0018]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，微槽道取熱元件本體的取熱面與待冷卻部件通過導熱硅脂緊密接觸。
[0019]優(yōu)選地，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)中，待冷卻部件為芯片或光電子器件。
[0020](三)有益效果
[0021]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)具有以下有益效果:
[0022](I)利用微槽道結(jié)構(gòu)所具有的微尺度高強度取熱能力，能夠?qū)⒌镀掌髦蠧PU芯片所產(chǎn)生的熱量高效取出，該方法中微槽道所具有的高強度取熱能力能夠達到lOOW/cm2的量級，遠高于目前CPU芯片的發(fā)熱熱流密度，能夠滿足當前及今后相當長一段時間內(nèi)的CPU芯片散熱需求；
[0023](2)微槽道內(nèi)的工質(zhì)受熱蒸發(fā)后變成蒸汽，在冷卻盤管外表面冷凝后，將熱量釋放給冷卻盤管內(nèi)的冷卻水，通過冷卻盤管內(nèi)的冷卻水將熱量帶走。因此，CPU芯片產(chǎn)生的熱量最終釋放給冷卻盤管中的冷卻水，而不是機房內(nèi)的空氣，有效降低了機房內(nèi)空氣的溫度。因此，采用本冷卻系統(tǒng)可極大地減少甚至替代空調(diào)的使用，大幅度的減少空調(diào)的能耗；
[0024](3)散熱過程不需要風扇進行強制風冷散熱，有效控制了機房噪聲的產(chǎn)生；
[0025](4)密閉空腔中始終充滿著微槽道內(nèi)工質(zhì)相變產(chǎn)生的蒸汽，使密閉空腔的外壁面具有相對較高的溫度，保證了外壁面的溫度始終維持在空氣的露點溫度以上，避免了原有熱管式散熱器表面局部溫度過低而產(chǎn)生的結(jié)露問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為傳統(tǒng)的熱管散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]【主要元件】
[0029]100-密閉空腔的底面； 101-密閉空腔的側(cè)壁面；
[0030]102-密閉空腔的頂面； 200-微槽道；
[0031]300-冷卻盤管。

【具體實施方式】
[0032]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0033]本發(fā)明設(shè)計了一種全新的微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)，其將微尺度結(jié)構(gòu)的高強度取熱能力與高效水冷技術(shù)相結(jié)合，從而既能有效地提高取熱端的取熱能力，又能有效地減少空調(diào)的使用，降低能源的消耗。
[0034]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一為刀片服務器CPU芯片散熱的微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施例微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)包括:微槽道取熱元件本體以及冷卻盤管300。其中，微槽道取熱元件本體具有一與待散熱的CPU芯片外表面相貼合的取熱面以及一密閉空腔。其中，該密閉空腔的底面100與取熱面相對，S卩密閉空腔底面的下表面為取熱面。在底面內(nèi)壁上形成有微槽道200，在該微槽道200向上開口且橫截面尺寸為百微米量級，其內(nèi)注入有液體工質(zhì)。冷卻盤管300設(shè)置于密閉空腔中。該冷卻盤管300通入冷卻液，其入口和出口均連通至密閉空腔的外部。
[0035]以下對本實施例微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)的各個組成部分進行詳細說明。
[0036]微槽道取熱元件本體在整體上呈長方體形狀，由紫銅等具有較高導熱系數(shù)的材料制成。密閉空腔的形狀也呈長方體形狀，具有一底面100、四個側(cè)壁面101和頂面102。該微槽道取熱元件本體的底面100的外表面與CPU芯片的外表面相貼合的取熱面為長方形，但本發(fā)明并不以此為限。
[0037]本發(fā)明中，該微槽道取熱元件本體的整體形狀需要視CPU芯片的形狀以及整個機柜的形狀進行設(shè)計，并且與CPU芯片相貼合的取熱面需要根據(jù)CPU芯片的相應面的形狀進行設(shè)計，如果CPU芯片的相應面為曲面的話，該取熱面就需要設(shè)計與之相對應的曲面。例如，在本發(fā)明的其他實施例中，微槽道取熱元件本體及密閉空腔的形狀還可以是圓柱體形狀等。
[0038]如圖2所示，在密閉空腔底面100的內(nèi)壁上，形成有相互平行的若干條微槽道200。該微槽道100的長度與密閉空腔的長度相同，其橫截面呈矩形，該矩形的高度和寬度均介于100 μπι?1000 μm之間。相鄰兩條微槽道之間的間距介于100 μπι?500 μm之間。
[0039]由于本實施例中密閉空腔呈長方體形狀，該微槽道設(shè)計為相互平行的若干條。而在本發(fā)明其他實施例中，該微槽道可以到延伸到整個內(nèi)壁長度方向，或者只延伸到該內(nèi)壁長度的一部分，或者在內(nèi)壁長度方向分為若干段，或者該微槽道還可以是若干個的同心圓形狀或者以密閉空腔底面內(nèi)壁中心為始端的螺旋線或漸開線形狀，均可以實現(xiàn)本發(fā)明。
[0040]為了加工的方便，該微槽道的橫截面呈矩形，但本發(fā)明并不以此為限。在本發(fā)明的其他實施例中，該微槽道的橫截面還可以為向上開口的半圓形、向上開口的半橢圓形等形狀，只要具有朝向上方的蒸發(fā)面即可，并且該橫截面在各個維度上的尺寸只要介于10ym- 1000 μ m 之間即可。
[0041]本實施例中，微槽道200內(nèi)分布有液體工質(zhì)氟利昂，但本發(fā)明并不以此為限。在本發(fā)明其他實施例中，該液體工質(zhì)還可以是水、乙醇、丙酮等具有較高汽化潛熱、并具有較好潤濕特性的液體工質(zhì)。該液體工質(zhì)充液量占整個密閉空腔體積的20% -90%。
[0042]眾多學者的研宄證明，百微米量級尺寸的微槽道能夠在槽道內(nèi)形成較大的毛細力，驅(qū)動具有較高汽化潛熱的液體工質(zhì)均勻的分布在槽道內(nèi)，形成薄液膜區(qū)域和彎月面區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)的取熱熱流密度能夠達到lOOW/cm2的量級，高于目前廣泛使用的熱管換熱器的取熱熱流密度，能夠滿足目前及今后相當長一段時間內(nèi)的刀片服務器CPU芯片的取熱要求。
[0043]在密閉空腔內(nèi)安裝有一定直徑和長度的具有較高導熱系數(shù)的銅管，作為冷卻盤管300，在冷卻盤管300內(nèi)通冷卻水。其中，冷卻盤管300在密閉空腔內(nèi)的長度和形狀可以根據(jù)需要進行設(shè)計，而不局限于本實施例中的蛇形排布。
[0044]本實施例中，刀片服務器的CPU芯片與密閉空腔底面100的外壁面通過導熱硅脂緊密接觸，CPU芯片所產(chǎn)生的熱量通過底面100進入到微槽道內(nèi)，加熱微槽道內(nèi)的液體工質(zhì)，工質(zhì)在微槽道內(nèi)產(chǎn)生高強度的相變，從而高效的帶走CPU芯片所產(chǎn)生的熱量。
[0045]本實施例微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)工作前需對密閉空腔進行抽真空，排出內(nèi)部的不凝性氣體，然后灌注液體工質(zhì)氟利昂。工作過程中，微槽道200內(nèi)氟利昂高強度微細尺度蒸發(fā)所產(chǎn)生的蒸汽在密閉空腔內(nèi)的冷卻盤管300的外表面冷凝，將蒸汽攜帶的CPU芯片熱量釋放給冷卻盤管內(nèi)的冷卻水，蒸汽冷凝后的冷凝液滴重新流回到密閉空腔底面100的微槽道200內(nèi)，最終CPU芯片所產(chǎn)生的熱量由冷卻水釋放到環(huán)境中。
[0046]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應當對本發(fā)明微槽道與水冷聯(lián)合冷卻系統(tǒng)有了清楚的認識。
[0047]此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如:
[0048](I)微槽道的形狀和尺寸可以根據(jù)需要進行調(diào)整；
[0049](2)液體工質(zhì)和冷卻液的材料可以根據(jù)需要合理選擇；
[0050](3)微槽道取熱元件本體的材料除了是紫銅以外，還可以是鋁等其他具有較高導熱系數(shù)的材料；
[0051](4)冷卻盤管的材料除了是銅管以外，還可以是鋁管等其他具有較高導熱系數(shù)的材料；
[0052](5)微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)還可以應用于光電子器件、電力器件等多個領(lǐng)域，而不局限于上述實施例中的芯片冷卻。
[0053]此外，需要說明的是，所附的附圖是簡化過且作為示例用。附圖中所示的元件數(shù)量、形狀及尺寸可依據(jù)實際情況而進行修改，且元件的配置可能更為復雜。上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用。
[0054]綜上所述，本發(fā)明利用百微米量級尺寸的微槽道所具有的高強度取熱能力，結(jié)合冷卻盤管的高效冷卻能力，制備出一種微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)，具有效率高、耗能低、成本低、噪聲低等優(yōu)點，可用于芯片、光電子器件、電力器件的散熱，有極高的推廣應用價值。
[0055]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，包括: 微槽道取熱元件本體，其具有一與待冷卻部件相貼合的取熱面及一密閉空腔，所述取熱面與所述密閉空腔的底面相對，在該底面內(nèi)壁上形成微槽道(200)，該微槽道向上開口，其寬度和深度的尺寸介于100 μ m?1000 μ m之間； 冷卻盤管(300)，設(shè)置于所述密閉空腔中，其入口和出口均連通至所述密閉空腔的外部； 其中，所述微槽道(200)內(nèi)具有液體工質(zhì)，所述冷卻盤管(300)內(nèi)注入有冷卻液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述微槽道(200)的橫截面呈矩形、向上開口的半圓形或向上開口的橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述微槽道(200)的橫截面呈矩形，其寬度和高度均介于100 μ m?1000 μ m之間； 所述微槽道(200)的長度與所述密閉空腔的長度相當，相鄰兩微槽道的間距介于100 μ m ?500 μ m 之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述微槽道(200)在微槽道取熱元件本體底面的內(nèi)壁上呈以下形狀中的其中一種: 螺旋線； 漸開線； 若干個同心圓；或 相互平行的若干條。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)為氟利昂、水、乙醇或丙酮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)在密閉空腔中的充液量占整個密閉空腔體積的20% -90%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻盤管(300)在密閉空腔內(nèi)呈蛇形排布，其中注入的冷卻液為水。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述微槽道取熱元件本體及冷卻盤管(300)均由銅或鋁制備。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述微槽道取熱元件本體的取熱面與所述待冷卻部件通過導熱硅脂緊密接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述待冷卻部件為CPU芯片或光電子器件。
【文檔編號】H01L23/473GK104465561SQ201410727215
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】王濤, 姜玉雁, 郭朝紅, 王志成, 唐大偉 申請人:中國科學院工程熱物理研究所